Читать книгу Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos - Édgar Espejo Mora - Страница 37

El clivaje es un mecanismo de fractura súbita frágil que consiste, idealmente, en la escisión, separación o descohesión (ruptura de enlaces químicos) de la pieza a lo largo de un plano que es normal a la dirección del máximo esfuerzo normal local, donde además la deformación plástica que precede a la fractura es inexistente. En los materiales reales, sin embargo, se presentan desviaciones de esta idealización, ya que la superficie de fractura no es perfectamente plana, hay deformación a pequeña escala que precede a la fractura y puede que no siempre se siga la dirección perpendicular al máximo esfuerzo normal, como se describe en los siguientes párrafos.

Un cristal como el que se presenta en los metales o cerámicos no amorfos, muestra anisotropía en la resistencia al clivaje, ya que hay direcciones dentro de un cristal que son de menor resistencia que otras, y esas direcciones cristalinas de menor resistencia son diferentes para cada sistema cristalino (CCC, CC, HC u otro). Por lo anterior, en un material policristalino cuando se presente el clivaje, cada grano fracturará en un plano de menor resistencia, cuya orientación será distinta de un grano a otro, sin embargo, a escala macroscópica, se podrá ver que en promedio el plano de fractura seguirá la dirección perpendicular al máximo esfuerzo normal (figura 3.12, izquierda y central); esto origina la formación de una textura granular cuando se observa una superficie de fractura de este tipo.

Los sistemas cristalinos de metales que tengan un alto número de sistemas de deslizamiento bien distribuidos en el espacio, como es el caso de la estructura CCC, difícilmente presentan clivaje, es decir, favorecen el deslizamiento y, por lo tanto, el comportamiento dúctil. Entre menos sistemas de deslizamiento posea una estructura cristalina, se favorece más la aparición del clivaje, lo cual ocurre en metales CC y HC.

Figura 3.12 Fractura súbita frágil

Nota. Esquema de la sección metalográfica de un material policristalino (izquierda); fractura súbita frágil por clivaje, donde cada grano cliva en una dirección diferente. Obsérvese que la dirección global de la fractura es perpendicular al esfuerzo normal máximo (centro); fractura súbita frágil intergranular, donde la grieta bordea los granos, en este caso también la dirección global de la grieta es perpendicular al máximo esfuerzo normal (derecha).

Fuente: elaboración propia.

Dentro de cada grano la superficie de fractura por clivaje idealmente debería ser plana (descohesión a lo largo del plano cristalino de menor resistencia), sin embargo, ello no se da, por la presencia de marcas como las radiales o las de río. El origen de estas marcas está relacionado con las no homogeneidades presentes dentro del grano (partículas de segunda fase, zonas de apilamiento de dislocaciones, cruce de maclas, cambios de velocidad de la grieta, etcétera), lo que hace que dentro en un grano se puedan generar varias grietas o planos de fractura, bien sea cuando inicia el agrietamiento del grano o en la propagación de las grietas. La cinética de propagación de las grietas dentro de un grano, también puede promover la generación de nuevas marcas de río o radiales, ya que si la fuerza conductora de grieta es muy grande y la velocidad de crecimiento de las grietas ha llegado a su límite, este exceso de energía promoverá la bifurcación de las grietas, generando por lo tanto nuevos planos y con ello nuevas marcas (la formación de las nuevas marcas radiales o de río puede generar también la formación de una marca de posición del frente de grieta) (figura 3.13).

El origen del agrietamiento dentro de un plano de clivaje de un grano, se da mediante la formación de microgrietas en zonas de menor resistencia local y/o altos esfuerzos locales (concentración de esfuerzos), como pueden ser: (1) fractura por clivaje previo de partículas duras de segunda fase o impurezas ubicadas en límite de grano (por ejemplo carburos en aceros); (2) zonas de alta energía por cruce de maclas previas o intersección de una macla con un límite grano; (3) zonas de alta energía generadas en apilamiento de dislocaciones por deslizamiento previo contra límites de grano o partículas de segunda fase; (4) zonas de alta energía por apilamiento de dislocaciones, generadas por deslizamientos internos en granos adyacentes curvos, etcétera (figura 3.14). Nótese que todas estas posibilidades de formación de las microgrietas iniciales requieren que haya deformación plástica previa, la cual, al darse a escala tan pequeña, no se refleja en distorsión visible de la pieza macroscópicamente.

Figura 3.13 Imágenes de MEB de granos de ferrita clivados en un acero de bajo carbono

Nota. Se pueden ver marcas de río, algunas radiales y una de posición del frente de grieta (asociada a una masiva aparición de marcas de río por aceleración de la grieta). Las flechas azules indican sitios de origen del agrietamiento y las flechas rojas direcciones de crecimiento de las grietas. En la imagen de la izquierda se puede ver que el clivaje de un grano se originó en una cavidad, dejada probablemente por la fractura de una inclusión o un carburo. En la imagen de la derecha los dos orígenes señalados, probablemente correspondan a zonas de apilamiento de dislocaciones.

Fuente: elaboración propia.

Así pues, el mecanismo de clivaje que se puede dar en materiales metálicos policristalinos se resume en: (1) aplicación del esfuerzo, (2) deformación plástica a pequeña escala dentro de los granos mediante deslizamiento y/o maclaje, (3) formación de una microgrieta a través de alguno de los mecanismos mencionados en el párrafo anterior o similares (también pueden ser grietas submicrométricas), (4) crecimiento inestable de grietas por clivaje en los granos, a partir de las microgrietas previas.

En materiales cristalinos, aunque a escala macro exista una dirección de crecimiento de grieta, ello no necesariamente implica que a escala micro, en frente de grieta, ocurra lo mismo estrictamente. Lo anterior se debe a que en el campo de concentración de esfuerzo que hay en el frente de grieta, pueden caber varios granos que están sobrecargados; por lo tanto, algunos de ellos pueden clivar antes que el frente de grieta principal los alcance, lo cual implica que puede haber granos que tengan direcciones de clivaje contrarias a las del crecimiento de la grieta global (figura 3.15).

Figura 3.14 Ejemplos de formación de microgrietas a partir de las cuales se nuclea el clivaje en los granos metálicos

Nota. Fractura por clivaje de una partícula de segunda fase o inclusión, lo que origina una microgrieta (superior izquierda); formación de microgrieta a partir del cruce de dos maclas (superior derecha); formación de microgrieta a partir de apilamiento de dislocaciones (inferior izquierda); formación de microgrieta a partir de deslizamientos internos dentro de granos adyacentes curvos (inferior derecha).

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.15 Avance de fractura por clivaje en material policristalino

Nota. Esquema que ilustra que antes de llegar el frente de grieta a un grano, este puede que ya haya clivado (imagen izquierda, flechas azules). En relación con lo anterior, es posible encontrar granos que clivan en direcciones opuestas (foto derecha, las flechas amarillas indican la dirección de clivado de cada grano).

Fuente: elaboración propia.

En polímeros y cerámicos amorfos, la fractura por clivaje tiende a ser más plana que la que se forma en materiales policristalinos, y sigue la dirección perpendicular a la del máximo esfuerzo normal de tracción; sin embargo, también se presentan desviaciones de la planitud por la presencia de marcas radiales y de río. En estos materiales, el origen del agrietamiento por clivaje también se da en zonas de menor resistencia local y/o altos esfuerzo locales, asociados a partículas de segunda fase o impurezas, o por formación de zonas de alta energía debido a flujo plástico a pequeña escala por apilamiento de dislocaciones (cerámicos) o deslizamiento o rotación entre moléculas (polímeros).

Una superficie de fractura por clivaje de una pieza polimérica o cerámica amorfa, se parece mucho a la que muestra un grano clivado metálico o cerámico a nivel microscópico, es decir, una textura plana con marcas radiales y de río, y puede haber marcas de posición del frente de grieta.

En las superficies de fractura por clivaje de piezas hechas de polímeros o cerámicos amorfos, es común que se presenten tres regiones diferenciables: (1) región espejo, donde la grieta muestra una textura muy plana con ausencia de marcas radiales o de río (si no hay varios planos de origen). En esta zona la grieta acelera su velocidad de propagación, y puede aumentar aún más la velocidad, ya que no ha alcanzado el límite; (2) región de niebla o bruma, donde la grieta está próxima a alcanzar la velocidad límite de propagación en el material, pero si aún hay una fuerza conductora de grieta muy alta, ello hace que el material consuma ese exceso de energía que no puede consumir vía aceleración de la grieta, a través de la formación de nuevas superficies de grieta (marcas radiales y de río), lo que origina ese aspecto de bruma o neblina por la mayor rugosidad; (3) región Hackle, donde si aún hay una fuerza conductora de grieta muy alta, se multiplica la formación de nuevas superficies de grieta, y por lo tanto de marcas, lo que desemboca en un relieve muy rugoso con una propagación incluso caótica de las grietas; aquí la velocidad de propagación de las grietas está en el límite que permite el material (figura 3.16). Los límites entre la región espejo, la de niebla y la Hackle, son marcas de posición del frente de grieta.

Al comparar la figura 3.16 (superior izquierda), con la figura 3.13 (izquierda), se puede notar en esta última que la zona alrededor de la flecha azul sería la región espejo y alrededor de ella está la zona Hackle. Así, la textura, las marcas y las regiones que hay en un grano metálico o cerámico clivado, son en esencia las mismas de un material amorfo clivado.

Figura 3.16 Superficie de fractura de lámina de vidrio impactada

Nota. Zona de inicio de fractura donde es posible observar la región espejo, la de niebla y la Hackle (superior izquierda); detalle de una región Hackle en la misma pieza, donde hay una alta rugosidad, producto de la alta densidad de marcas radiales y de río. Nótese que las marcas tratan de formar el patrón de Chevron (superior derecha); detalle de otra zona Hackle menos rugosa, donde se ven las marcas de río y marcas Wallner, que en este caso también son marcas de posición del frente de grieta (inferior). Las flechas rojas indican la dirección de propagación.

Fuente: elaboración propia.

En materiales compuestos, ya que hay varios materiales metálicos, cerámicos o poliméricos mezclados, y en diferentes arquitecturas (matriz-partícula, matriz-fibra, multicapas, etcétera), se complica el estudio de los diferentes modos de fractura; sin embargo, en el caso del clivaje, este se presentará en los agregados o matriz intrínsecamente frágiles, y en el caso particular de la arquitectura multicapa, es posible que el plano de clivaje no siga necesariamente el plano de máximo esfuerzo normal de la pieza, sino un plano interlaminar donde el esfuerzo normal local es lo suficientemente alto, como para provocar el clivaje de un adhesivo o una matriz.

Fracturas súbitas donde se combina el clivaje con otros mecanismos (por ejemplo, con la formación de microvacíos) o fracturas progresivas donde se forman facetas similares a las del clivaje súbito, pero que difieren en morfología o planos cristalinos de propagación, se denominan cuasiclivaje.